) 4 ( 2 2 2 2 0 4 πε ε n e m E e g h =
Eg = energi gap / celah energi / energi larangan (joule) me = massa elektron ( 9,11x10-31 kg)
e = muatan elektron ( 1,6x 10-19 C)
ε = permitivitas listrik medium (C/V-m)
ħ = konstanta Planck ( 6,63x10-34 J-detik) n = banyaknya atom dopant
εo = permitivitas listrik di ruang hampa (8,854x10-12 C/V-m)
Energi donor,Ed, merupakan pengurangan energi gap dari semikonduktor intrinsik akibat adanya atom dopan
kbT ≈Ed kbT eV 40 1 ≈ T = Temperatur kamar (K) kb = konstanta Boltzman (1,38x10-23 J K-1 )
Suatu perkiraan kasar untuk temperatur ionisasi berada pada temperatur -kamar. Pada awalnya ketika temperatur rendah, eksitasi dari penderma dan akseptor merupakan satu-satunya sumber pengangkut yang mencakup daya konduksi yang disebabkan oleh keadaan luar. Didalam kondisi ini pembuatan semikonduktor menentukan apakah semikonduktor merupakan n-type atau p-type.
2.4 Kegunaan Semikonduktor 2.4.1 Dioda
Penggunaan semikonduktor adalah untuk instrument atau komponen elektronik misalnya untuk dioda, transistor dan lain-lainnya. Dioda termasuk
komponen elektronika yang terbuat dari dua bahan semikonduktor yang berbeda type yaitu type-p dan type-n disebut juga dengan P-N junction, mempunyai fungsi yang unik yaitu hanya dapat mengalirkan arus satu arah seperti yang ditunjukkan pada gambar dibawah ini.
Anoda Katoda Depletion layer ++ ++P ++ ++ -- N -- --
--Gambar 6 Simbol dan struktur dioda (PN junction) (Rio., et al 1999)
Dari Gambar 6 menunjukkan sambungan PN dengan sedikit porsi kecil yang disebut lapisan deplesi (depletion layer), dimana terdapat kesetimbangan
hole dan elektron. Pada posisi P banyak terbentuk hole- hole siap menerima elektron, sedangkan di sisi N banyak terdapat elektron –elektron yang siap untuk bebas. Lalu jika diberi bias positif, yaitu dengan memberi tegangan potensial yang lebih besar dari sisi N, maka elektron dari sisi N dengan serta merta akan bergerak untuk mengisi hole disisi P, maka akan terbentuk hole pada sisi N karena ditinggal elektron, ini disebut aliran hole dari P menuju N, jika menggunakan terminologi arus listrik, maka dikatakan terjadi aliran arus listrik dari sisi P ke sisi N, seperti yang diperlihatkan dalam gambar 7.
-- + - ++ ++P ++ ++ -- N -- --
Jika polaritas tegangan dibalik yaitu dengan memberikan bias negatif (reverse bias), sisi N mendapat polaritas tegangan lebih besar dari sisi P. Akibatnya tidak akan terjadi perpindahan elektron atau aliran hole dari P ke N maupun sebaliknya. Baik hole maupun elektron masing-masing tertarik ke arah kutub yang berlawanan, bahkan lapisan deplesi (depletion layer) semakin besar dan menghalangi terjadinya arus. Dengan tegangan bias maju yang kecil dioda sudah menjadi konduktor. Tidak diatas 0 volt tetapi memang tegangan beberapa volt diatas nol baru bisa terjadi konduksi. Silikon mempunyai tegangan konduksi diatas 0,7 volt yaitu kira-kira 0,2 volt batas minimum untuk dioda yang terbuat dari bahan Germanium. Untuk bias negatif dioda tidak dapat mengalirkan arus, namun memang ada batasnya sampai beberapa puluh bahkan ratusan volt baru terjadi breakdown, dimana dioda tidak dapat lagi menahan aliran elektron yang terbentuk di lapisan deplesi.
2.4.2. LED (Light Emiting Dioda)
LED (Light Emiting Dioda) merupakan komponen yang dapat mengeluarkan emisi cahaya. LED merupakan produk temuan lain selain dioda. Strukturnya juga sama dengan dioda tetapi elektron yang menerjang sambungan P-N juga melepaskan energi berupa panas dan energi cahaya. Untuk mendapatkan cahaya pada semikonduktor, doping yang dipakai adalah germanium, arsenic dan phosporus. Jenis doping yang berbeda menghasilkan warna cahaya yang berbeda pula ( Rio.,et al 1999 ).
Anoda Katoda
Gambar 8 Simbol LED (Rio., et al 1999)
Pada saat ini warna-warna cahaya LED yang banyak adalah warna merah, kuning dan hijau sedangan warna biru sangat langka. Pada dasarnya
semua warna dihasilkan, namun akan menjadi sangat mahal dan tidak efisien. Dalam memilih LED selain warna, yang juga perlu diperhatikan tegangan, arus maksimum dan daya disipasi. Rumah (chasing) LED dan bentuknya juga bermacam-macam, ada yang persegi empat, bulat dan lonjong.
2.4.3 Transistor
Transistor adalah alat semikonduktor yang digunakan sebagai penguat (amplifier), pemotong (switching on/off), stabilisasi tegangan, modulasi sinyal atau fungsi lainnya. Transistor dapat berfungsi semacam kran listrik, dimana berdasarkan arus input dan tegangan inputnya, memungkinkan pengaliran listrik yang sangat akurat dari sumber listriknya (Rio., et al 1999).
Transistor merupakan dioda dengan dua sambungan (junction). Sambungan itu membentuk transistor PNP maupun NPN. Ujung-ujung terminalnya berturut-turut disebut emitor, base dan kolektor. Base selalu berada ditengah, diantara emitor dan kolektor. Transistor ini disebut transistor bipolar, karena struktur dan prinsip kerjanya tergantung dari perpindahan elektron di kutub negatif mengisi kekurangan elektron (hole) di kutub positif, bi =2 dan polar = kutub.William Schockley pada tahun 1951 yang pertama kali menemukan transistor bipolar.
C B E B C E C B E N P N P N P E B C
Dimana :
P = Ion positif (proton) N = Ion negatif (elektron) B = Base
C = Kolektor E = Emitor
Transistor adalah komponen yang bekerja sebagai sakelar (switch on/off) dan juga sebagai penguat (amplifier). Transistor bipolar adalah inovasi yang menggantikan transistor tabung (vacum tube). Selain dimensi transistor bipolar relatif kecil, disipasi dayanya juga lebih kecil sehingga dapat bekerja pada suhu yang lebih dingin. Dalam beberapa aplikasi, transistor tabung masih digunakan terutama pada aplikasi audio, untuk mendapatkan kualitas suara yang baik. Namun konsumsi dayanya sangat besar terutama untuk dapat melepaskan elektron, teknik yang digunakan adalah pemanasan filamen seperti lampu pijar (Rio., et al 1999).
Transistor bipolar memiliki dua junction yang dapat disamakan dengan penggabungan dua buah dioda. Emitor - base adalah satu junction dan base-kolektor junction lainnya. Seperti pada dioda, arus akan mengalir jika diberi bias positif, yaitu jika tegangan pada material P lebih positif daripada material N (forward bias). Pada gambar 10 transistor NPN junction, junction base-emitor diberi bias positif sedangkan base-kolektor mendapat bias negatif (reverse bias).
+ B = base C = kolektor - C E = emitor B + E - N P N E B C IB = Arus base IB IC = Arus kolektor IE ICBO IC IE = Arus emitor - + - + ICBO = Arus base-kolektor VEB = tegangan pada emitor VEB VCB VCB = tegangan pada kolektor
Gambar 10 Arus elektron transistor NPN (NPN junction)
Base-emitor mendapat bias positif seperti dioda, elektron mengalir dari emitor menuju base. Kolektor pada rangkaian ini lebih positif sebab mendapat tegangan positif. Oleh sebab itu kolektor ini lebih positif menuju base seperti dioda. Lebar base tipis hanya sebagian elektron yang dapat bergabung dengan
hole yang ada pada base. Sebagian besar akan menembus lapisan base menuju kolektor, dengan alasan ini mengapa jika dua dioda digabungkan tidak dapat menjadi sebuah transistor, yang disebabkan lebar base harus sangat tipis sehingga dapat diterjang oleh elektron.
Jika tegangan base-emitor dibalik (reverse bias), maka tidak terjadi aliran elektron dari emitor menuju kolektor. Jika pelan-pelan keran base diberi bias maju (forward bias), elektron mengalir menuju kolektor dan besarnya sebanding dengan besar arus bias base yang diberikan. Jadi arus base mengatur banyaknya
elektron yang mengalir dari emitor menuju kolektor. Ini disebut efek penguat transistor sebab arus base yang kecil menghasilkan arus emitor-kolektor yang lebih besar (arus yang lebih kecil mengontrol aliran arus yang lebih besar). Base mengatur pemebukaan dan penutupan aliran arus emitor-kolektor (switch on/off) (Rio., et al 1999).
Pada transistor PNP, fenomena yang sama dapat dijelaskan dengan memberikan bias seperti yang ditunjukkan pada gambar 11. Dalam hal ini yang disebut perpindahan arus adalah arus hole.
B = base - C = kolektor C E = emitor + B - E + B E P N P C IB = arus base IC = arus kolektor IB IC IE = arus emitor
IE VCB = tegangan pada kolektor + - + - VEB = tegangan pada emitor
VEB VCB